CN113799107A - 双臂协作机器人 - Google Patents

Abstract

一种双臂协作机器人，其包括：底座；立柱，沿竖直方向设置于底座上；一对竖直调节机构，分别设置于立柱上；一对机械臂，分别组装至一竖直调节机构上，所述竖直调节机构用于调整对应的机械臂的高度位置，每一机械臂具有至少两个转轴轴向平行的活动关节。本申请双臂协作机器人具有单臂结构简单、自重小、负载能力强的特点，易于实现低成本的解决方案。

Description

双臂协作机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种双臂协作机器人。

背景技术

协作机器人是一种能够与人在共享空间内互动，或与人在近距离安全工作的机器人，其主要在安全性、互动性与易用性三个方面区别于传统的工业机器人。协作机器人在安全性上的特点主要是碰撞检测功能，能够防止对人的伤害；在互动性上的特点是重量轻、安装方便，便于与人交互；在易用性上，协作机器人示教编程方便，易于使用。

目前市面上的协作机器人绝大部分均为单机械臂协作机器人，也就是一个协作机器人系统中只含有一个协作机械臂。与单臂的协作机器人相比，双臂的协作机器人更像人类，而且其能够通过双臂间的配合实现一些比较复杂的功能，具有较高的科研和实用价值。

在现有机器人中，典型代表如Baxter、YuMi等，其均由两个七轴单机械臂组成。通常而言，七轴机械臂的硬件成本高，制造所需的时间长和人力成本高；与此同时，七轴单臂的机械结构重；因此通常七轴的双臂协作机器人标准重量大且负载小；以及，由于七轴机械臂的结构重量大，使得关节转动惯量大；而且七轴机械臂形态比较复杂，运动时需要多轴联动，因此运动加速度较低；此外，对于七轴双臂协作机器人而言，其关节力矩负载较高，运动学模型也较为复杂，不利于实现基于电流监控的碰撞检测。若添加力传感器，则势必使机械臂成本上升。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、关节联动简单的双臂协作机器人。

本发明提供一种双臂协作机器人，其包括：

底座；

立柱，沿竖直方向设置于底座上；

一对竖直调节机构，分别设置于立柱上；

一对机械臂，分别组装至一竖直调节机构上，所述竖直调节机构用于调整对应的机械臂的高度位置，每一机械臂具有至少两个转轴轴向平行的活动关节。

其中，所述立柱上设置直线导轨安装基座，每一竖直调节机构包括一直线导轨底座、滚珠丝杠、滑台和伺服电机，所述直线导轨安装基座的两不同侧面上分别设置一所述直线导轨底座，直线导轨安装基座、直线导轨底座和滚珠丝杠均沿竖直方向设置，滑台套设于滚珠丝杠上且滑动设置于所述直线导轨底座上，伺服电机用于驱动滚珠丝杠进而调整滑台在竖直方向上的位置。

其中，一对竖直调节机构的直线导轨基座分别设置于所述直线导轨安装基座的两垂直侧面上。

其中，所述机械臂包括第一关节组件、第一连杆、第二关节组件和第二连杆，所述第一关节组件连接至所述滑台，所述第一连杆的一端铰接至所述第一关节组件，所述第二关节组件设置于所述第一连杆的另一端，所述第二连杆的一端铰接至所述第二关节组件。

其中，所述第一关节组件包括连接法兰、第一关节基座和第一转动关节，所述连接法兰用于将第一关节基座连接至滑台，所述第一转动关节转动设置于第一关节基座上。

其中，所述第一转动关节的转轴为竖直轴。

其中，所述第二关节组件包括第二转动关节，所述第二转动关节的转轴为竖直轴。

其中，所述机械臂还包括第三关节组件，第三关节组件设置于第二连杆的另一端，所述第三关节组件包括第三转动关节，所述第三转动关节的转轴为竖直轴。

其中，所述第一、第二、第三转动关节均包含带编码器的电机、电机安装法兰、减速器安装法兰、转动关节外壳、关节转矩输出法兰和谐波减速器，所述带编码器的电机通过电机安装法兰进行固定，电机的输出轴与谐波减速器输入端固连，减速器安装法兰分别与电机安装法兰和连杆机构固连，谐波减速器输出端与关节转矩输出法兰固连。

与现有技术相比，本申请双臂协作机器人硬件成本大大降低，制造所需时间减少、人力成本降低，能够以更轻的重量实现比七轴单机械臂更大的负载，实用性更高；进一步地，由于本申请的机械臂具有至少两个转轴轴向平行的活动关节，因此本申请机械臂为平面多关节形态的机械臂，机械结构相对简单，平面关节的转动惯量小，运动时关节联动较为简单，因为可以达到很高的运动加速度。

附图说明

图1为本申请双臂协作机器人一较佳实施例的主视图；

图2为图1所示双臂协作机器人的立柱的局部放大图；

图3为图1所示双臂协作机器人的立柱的横向截面剖视图；

图4为图1所示双臂协作机器人的机械臂的主视放大图；

图5为图4所示机械臂的俯视图；

图6为图5所示机械臂沿B-B处的剖视图；

图7为图6所示C区域的放大图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人士在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，本发明一较佳实施例双臂协作机器人包括底座1、立柱2、一对竖直调节机构(未标示)和一对机械臂3。

底座1为立柱2、竖直调节结构和机械臂3提供支撑。本申请中，底座1为水平尺寸大于立柱2的箱型结构。为了实现对机械臂3及竖直调节机构控制的目的，底座1中可以集成电压转换器和机器人控制器。在其他的实施例中，电压转换器和机器人控制器亦可以选择外置的方案。

在其他的实施例中，底座1的底部亦可以设置多个利用电磁控制的移动轮，以实现更好的人机交互效果。

立柱2沿竖直方向设置于底座1上。竖直方向即通常意义上的高度方向。

一对竖直调节机构平行设置于立柱2上。具体地，请一并结合图2和图3，本实施例中，立柱2上设置直线导轨安装基座201和升降轴外壳206，直线导轨安装基座201提供两个用于连接竖直调节机构的侧面，直线导轨安装基座201位于升降轴外壳206中且上述两个用于连接竖直调节机构的侧面自升降轴外壳的开口中露出。每一竖直调节机构包括一直线导轨底座202、滚柱丝杠203、滑台204和伺服电机205。上述两个用于连接竖直调节机构的侧面上分别设置一直线导轨底座202，用于提供竖直方向的滑动引导槽。直线导轨安装基座201、直线导轨底座202和滚珠丝杠203均沿竖直方向设置，滑台204套设于滚珠丝杠203上且滑动设置于所述直线导轨底座202上，伺服电机205用于驱动滚珠丝杠进而调整滑台在竖直方向上的位置。

优选地，一对竖直调节机构的直线导轨基座202分别设置于直线导轨安装基座201的两垂直侧面上。在其他的实施例中，直线导轨安装基座201的两个用于连接竖直调节机构的侧面的夹角亦可以为其他任意角度。

除伺服电机205外，每一竖直调节机构还可以配备编码器及电机驱动控制器。伺服电机205的输出轴通过联轴器与滚珠丝杠203连接，当伺服电机工作时，滑台204及与其固连的机械臂3相对与底座1做竖直方向的运动。从底座1引出的电源线缆及通讯电缆通过拖链机构连接到竖直调节机构与机械臂3连接处，再进入机械臂3中。

在其他的实施例中，竖直调节机构亦可以选取同步带直线模组配合带减速器的无刷电机或同步电机或步进电机的实施方式。

所述机械臂包括第一关节组件、第一连杆、第二关节组件、第二连杆309和第三关节组件。第一关节组件连接至所述滑台204，第一连杆的一端铰接至第一关节组件，第二关节组件设置于所述第一连杆的另一端，第二连杆的一端铰接至第二关节组件，第三关节组件设置于第二连杆的另一端。

具体地，请一并参照图4至图6，第一关节组件包括连接法兰301、第一关节基座302、第一关节上外壳304、第一关节下外壳303及第一转动关节305。优选地，第一转动关节305的转轴为竖直轴。连接法兰301固连于滑台204上，用于将第一关节基座302连接至滑台204。具体地，第一关节基座302通过螺钉紧固于连接法兰301上。第一转动关节305转动设置于第一关节基座302上，第一关节上外壳304和第一关节下外壳303分别用于封堵第一关节基座302的顶面和底面。第一连杆包括第一连杆基座306及第一连杆上外壳307。第一转动关节305的电机端固连于第一关节基座302上，扭矩输出端向上固连第一连杆基座306，以使第一连杆能够相对于第一关节组件做平面旋转运动。

第二关节组件包括第二转动关节308和第二关节外壳310；优选地，第二转动关节308的转轴为竖直轴，第二关节外壳310固连于第二连杆309上。本实施例中，第二转动关节308的扭矩输出端向上固连于第一连杆基座306，而电机端固连于第二连杆309上，因而第二连杆309能相对于第一连杆做平面旋转运动。

第三关节组件包括第三转动关节311及第三关节外壳312。优选地，第三转动关节311的转轴为竖直轴。第三关节外壳312固连于第二连杆309，第三转动关节311的电机端法兰固连于第二连杆309，而转矩输出端法兰水平向下。

请进一步结合图7，第三转动关节311包括带编码器的电机321、电机安装法兰322、减速器安装法兰323、转动关节外壳324、关节转矩输出法兰325和谐波减速器，所述电机321通过电机安装法兰322进行固定，电机321的输出轴与谐波减速器输入端固连，减速器安装法兰323通过螺钉分别与第二连杆309、电机安装法兰311和连杆机构固连，谐波减速器输出端与关节转矩输出法兰325固连。谐波减速器包括谐波减速器波发生器331、谐波减速器轴承332、谐波减速器输出端333等。当电机输出轴旋转时，谐波减速器波发生器331随之旋转，带动钢轮及柔轮以波的形式啮合。电机转矩被谐波减速器放大后，经谐波减速器输出端333及关节转矩输出法兰325输出转矩。

优选地，第一转动关节305和第二转动关节308的结构与第三转动关节相同。

在其他的实施方式中，谐波减速器亦可以替换为行星齿轮减速器或同步带/同步轮减速结构。或者，舍弃减速机构，采用电机输出轴直接驱动连杆的方式亦可以替代上述实施方式。

第一关节组件处有电源及通讯接口，从竖直调节机构中引出的电源及通讯电缆通过第一关节组件中的对应接口与第一关节组件建立电气连接。第一关节组件及第二关节组件之间经由第一连杆的电源及通讯电缆建立电气连接；第二关节组件及第三关节组件之间经由第二连杆309的电源及通讯电缆建立电气连接。

本实施例中，机械臂的第一、第二、第三转动关节305、308和311均含有电机、编码器、谐波减速器和电机驱动控制器，底座1中设置的机器人控制器通过通讯电缆分别控制每个转动关节。

一对机械臂对称设置且结构相同，二者可分别独立运动或相互协同运动。

与现有七轴单臂机器人的技术方案相比，本申请双臂协同机器人关节数较少，省去了其余关节的结构件、电机、减速器、驱动器等部件，大大降低了机器人重量。此外，由于本申请的机械臂具有至少两个转轴轴向平行的活动关节，因此本申请机械臂为平面多关节形态的机械臂，负载的重力由机械结构及垂直轴承担，使得其受力方式简单合理，因此，负载能力亦得到大大提升。进一步地，本申请中，由于水平关节电机不需要承担垂直负载，其转矩能高效地转化为各连杆的转动角速度，使得机器人具有末端水平加速度大的特点，因而机器人能够以较高的末端速度运行。以及，由于水平多关节结构机械臂的力学模型简洁明晰，使得机器人基于电流的碰撞检测较为灵敏，省去了关节力矩传感器的成本；本申请机械设计简洁高效，不需力矩传感器即可实现碰撞检测，可有效降低成本。此外，双臂协作机器人中单臂的水平关节均采用了模块化设计，使得关节在达到设计寿命或出现故障时更换方便，维护成本低。综上，本申请双臂协作机器人具有单臂结构简单、自重小、负载能力强、关节模块化设计、不需力矩传感器即可实现碰撞检测等特点，易于实现低成本的解决方案。

以上所述实施方式仅表达了本发明的一种或几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出多个变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种双臂协作机器人，其特征在于，所述双臂协作机器人包括：

底座；

立柱，沿竖直方向设置于底座上；

一对竖直调节机构，设置于立柱上；

一对机械臂，分别组装至一竖直调节机构上，所述竖直调节机构用于调整对应的机械臂的高度位置，每一机械臂具有至少两个转轴轴向平行的活动关节。

2.根据权利要求1所述的双臂协作机器人，其特征在于，所述立柱上设置直线导轨安装基座，每一竖直调节机构包括一直线导轨底座、滚珠丝杠、滑台和伺服电机，所述直线导轨安装基座的两不同侧面上分别设置一所述直线导轨底座，直线导轨安装基座、直线导轨底座和滚珠丝杠均沿竖直方向设置，滑台套设于滚珠丝杠上且滑动设置于所述直线导轨底座上，伺服电机用于驱动滚珠丝杠进而调整滑台在竖直方向上的位置。

3.根据权利要求2所述的双臂协作机器人，其特征在于，一对竖直调节机构的直线导轨基座分别设置于所述直线导轨安装基座的两垂直侧面上。

4.根据权利要求2所述的双臂协作机器人，其特征在于，所述机械臂包括第一关节组件、第一连杆、第二关节组件和第二连杆，所述第一关节组件连接至所述滑台，所述第一连杆的一端铰接至所述第一关节组件，所述第二关节组件设置于所述第一连杆的另一端，所述第二连杆的一端铰接至所述第二关节组件。

5.根据权利要求4所述的双臂协作机器人，其特征在于，所述第一关节组件包括连接法兰、第一关节基座和第一转动关节，所述连接法兰用于将第一关节基座连接至滑台，所述第一转动关节转动设置于第一关节基座上。

6.根据权利要求5所述的双臂协作机器人，其特征在于，所述第一转动关节的转轴为竖直轴。

7.根据权利要求5所述的双臂协作机器人，其特征在于，所述第二关节组件包括第二转动关节，所述第二转动关节的转轴为竖直轴。

8.根据权利要求7所述的双臂协作机器人，其特征在于，所述机械臂还包括第三关节组件，第三关节组件设置于第二连杆的另一端，所述第三关节组件包括第三转动关节，所述第三转动关节的转轴为竖直轴。

9.根据权利要求8所述的双臂协作机器人，其特征在于，所述第一、第二、第三转动关节均包含带编码器的电机、电机安装法兰、减速器安装法兰、转动关节外壳、关节转矩输出法兰和谐波减速器，所述带编码器的电机通过电机安装法兰进行固定，电机的输出轴与谐波减速器输入端固连，减速器安装法兰分别与电机安装法兰和连杆机构固连，谐波减速器输出端与关节转矩输出法兰固连。

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